柔性电流传感器装置制造方法

柔性电流传感器装置制造方法
【专利摘要】一种柔性电流传感器装置，该柔性电流传感器装置包括沿着细长柔性载体分布的多个离散电流感测元件。用于电流传感器装置的细长柔性构件包括多个承载部，多个承载部通过铰接部连接至彼此，每个承载部均构造成用于接收离散电流感测元件。一种制造柔性电流传感器装置的方法包括提供细长柔性载体以及沿着该细长柔性载体分布多个离散感测元件。
【专利说明】柔性电流传感器装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种柔性电流传感器装置。

【背景技术】
[0002] 柔性罗氏线圈（Rogowski)(例如，如US3,434,052中描述的）提供了一种在难以 接近或者暂时性电流监测的情况下实现交流（AC)电流测量的方便的方法。在准确度方面， 这些线圈经受使均匀且柔性的螺线管获得高精度的能力，从而限制了测量回路内的校准因 数的均勻性，并且限制了回路外的附近电流（nearby currents)实现的抑制水平（level of rejection)。这在柔性线圈的两个端部连接的点周围尤其是这样，这是因为必需为绝缘和 机械夹持装置分配空间。另一个不期望的特征在于，考虑限定线圈的截面的材料的柔性以 及回路的长度（这二者都直接影响电流测量的灵敏度）而获得良好的热稳定性的难度。


【发明内容】

[0003] 在第一方面中，本说明书描述了一种柔性电流传感器装置，该柔性电流传感器装 置包括沿着细长柔性载体分布的多个离散电流感测元件。离散感测元件可包括存放在平面 电路板上的导电材料的线圈。离散感测元件可包括围绕细长柔性载体缠绕的导电材料的多 个线匝。离散感测元件可包括绕线轴缠绕的导线匝，该线轴沿着载体分布。离散电流感测 元件可通过连接元件串联地电连接至彼此。连接元件布置成使得这些连接元件不会显著地 (或者根本不会）增加传感器装置的灵敏度。换句话说，在每个电流感测元件均包括导电材 料的线圈的实施方式中，连接元件不会为线圈增加额外的"回路面积"。
[0004] 每个感测元件的剖面均可具有不均匀的长宽比。每个感测元件均构造成使得该感 测元件对平行于传感器的一平面的均匀磁场表现出零灵敏度。这个平面被称为对均匀磁场 来说零灵敏度的平面。具有不均匀的长宽比的感测元件的剖面平行于感测元件的零灵敏度 的平面。具有不均匀的长宽比的剖面可为穿过有细长柔性载体的剖面。
[0005] 细长柔性载体可构造成使得该细长柔性载体具有优选的弯曲轴线。细长柔性载体 可构造成使得该细长柔性载体具有单一弯曲轴线。细长柔性载体在优选的弯曲轴线上的柔 度可不对称。
[0006] 柔性电流传感器装置能构造成能打开的回路。当装置构造成回路时，柔性载体的 相对端部可位于与载体的剩余部分相同的平面中。
[0007] 离散感测元件可沿着细长柔性载体基本等距地间隔开。
[0008] 柔性电流传感器装置可包括：第一连接器元件，该第一连接器元件位于细长柔性 载体的第一端部处；以及第二连接器元件，该第二连接器元件位于细长柔性载体的第二端 部处，第一连接器元件和第二连接器元件构造成与彼此能释放地接合，以使传感器装置形 成闭合回路，其中，离散感测元件绕该闭合回路等距地间隔开。换句话说，第一连接器元件 和第二连接器元件可构造成使得，当彼此接合时，载体的任一端部处的感测元件间隔一距 离，该距离与其他等距间隔的感测元件的距离相同。
[0009] 细长柔性载体可穿过每个电流感测元件的中央区域。
[0010] 柔性电流传感器装置可构造成使得每个感测元件的零灵敏度的平面基本局部地 垂直于载体的承载有感测元件的一部分的纵向轴线。
[0011]细长柔性载体可包括多个连接的载体部，载体部中的每个均构造成接收至少一个 电流感测元件。
[0012] 载体部中的每个均可包括线轴部件，该线轴部件用于接收离散感测元件中的一 个。离散感测元件可包括绕线轴部件缠绕的多个铜导线匝。多个连接的载体部可通过铰接 部连接至彼此。多个连接的载体部可通过铰接部能拆卸地连接至彼此。铰接部可构造成使 得在元件绕铰接部旋转时邻近传感器元件的中心的间距上的变化最小。铰接部可朝向细长 柔性载体的优选的弯曲方向偏移。
[0013] 离散电流感测元件可包括居中地安装在细长柔性载体上的电路板线圈。
[0014] 在第二方面中，本说明书描述了一种用于电流传感器装置的细长柔性构件，该细 长柔性构件包括多个承载部，该多个承载部通过铰接部连接至彼此，每个承载部均构造用 于接收离散电流感测元件。
[0015] 在第三方面中，本说明书描述了一种制造柔性电流传感器装置的方法，该方法包 括：提供细长柔性载体；以及沿着该细长柔性载体分布多个离散感测元件。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 为了更完整地理解本发明的实施方式，现将结合附图来参考以下描述，在附图 中：
[0017] 图1A至图1E是根据本发明的柔性电流传感器装置的各个方面的示意图；
[0018] 图2A至图2D是根据本发明的可替换的柔性电流传感器装置的各个方面的示意 图；
[0019] 图3是图2A至图2D的柔性电流传感器装置的变型的示意图；
[0020] 图4A至图4F示出了可用于形成柔性传感器装置的细长柔性载体的各个方面，该 柔性传感器装置与参考图1A至图1E描述的柔性传感器装置类似；
[0021] 图5是示出了图4A至图4F的细长柔性载体的一个方面的图表；
[0022] 图6A至图6E示出了与参考图1A至图1E描述的连接机构结合使用的图4A至图 4F的细长柔性载体；
[0023] 图7A至图7D示出了参考图4A至图4F描述的细长柔性载体的变型的多个方面；
[0024] 图8A至图8H示出了可用于形成柔性传感器装置的可替换的细长柔性载体的各个 方面，该柔性传感器装置与参考图1A至图1E描述的柔性传感器装置类似；
[0025] 图9A至图9E示出了与参考图1A至图1E描述的连接机构结合使用的图8A至图 8H的细长柔性载体；
[0026] 图10和图10B示出了图8A至图8H的细长柔性载体的变型的多个方面；
[0027] 图11A至图111示出了图8A至图8H的细长柔性载体的可替换的变型的多个方 面；
[0028] 图12A和图12B示出了参考图4A至图4F描述的细长柔性载体的变型的多个方 面；
[0029] 图13A和图13B示出了参考图8A至图8H描述的细长柔性载体的变型的多个方 面；
[0030] 图14A至图14D示出了图1A至图1E的柔性电流传感器装置的变型的多个方面；
[0031] 图15A至图15D示出了可替换的细长柔性载体的多个方面；以及
[0032] 图16A至图16G示出了另一可替换的细长柔性载体的多个方面。

【具体实施方式】
[0033] 在说明书和附图中，贯穿全文相同的参考标号表示相同的元件。
[0034] 图1A至图1E是根据本发明的柔性电流传感器装置1的各个方面的示意图。柔性 电流传感器装置1可构造成闭合回路。当在使用中时，柔性电流传感器形成为围绕导体（诸 如在变电站中）的闭合回路，该导体中的电流需要被感测。
[0035] 图1A和图1B分别是当装置1处于打开形式时该装置的侧视图和平面图，并且图 1C是当装置1构造成闭合回路形式时该装置的平面图。图1D是当装置1处于闭合形式时 穿过该装置的连接机构10A、10B的示意性剖面图。图1E是穿过装置1的离散感测元件12 的剖面图。
[0036] 根据本发明的柔性电流传感器装置1包括沿着细长柔性载体14分布或者间隔开 的多个离散电流感测元件12。离散电流感测元件12沿着柔性载体14的长度均匀地间隔 开。该多个离散电流感测元件12可以被称为串（string)。
[0037] 每个离散电流感测元件12均包括多线匝导电材料。在图1的实例中，离散电流感 测元件12包括铜线线圈。但是，如将从其他的实施方式中认识到的，离散电流感测元件12 可替代地包括例如被印刷进印刷电路板（PCB)中的多匝导电材料。在其他实例中，感测元 件12可以包括设置在绕线管或者自支撑芯上的预缠绕线圈。每个离散感测元件12与每个 其他的感测元件12基本相同。此外，每个感测元件12的缠绕方向是相同的。这样，通过改 变圆形磁场（诸如将由在导线中行进的交流电流引起）而在每个感测元件12中感应出的 电流彼此相加。
[0038] 离散电流感测元件12构造成使得这些离散电流感测元件对平行于一特定平面的 均匀磁场不敏感。这个平面在下文中将被称为对均匀磁场来说零灵敏度的平面。在图1A 和图1B中通过由参考标号A表示的虚线示出了用于一个离散感测元件12的对均匀磁场来 说零灵敏度的平面。通过在同一平面中或者在基本相互平行的平面中设置感测元件的导电 材料的所有线匝而实现这种构造。在里面设置有线匝（或者与线匝平行）的平面也是对感 测元件12的均匀磁场来说零灵敏度的平面。
[0039] 柔性电流传感器装置1构造成使得每个感测元件1的零灵敏度的平面基本垂直于 载体的一部分的纵向轴线，该感测元件承载在载体的该部分上。
[0040] 在这个实例中，离散感测元件12构造成使得穿过零灵敏度的平面的剖面的长宽 比（aspect ratio,纵横比）是不均勻（uneven)的。这可在图1E中看出，在该图中，离散感 测元件12的高度（表示为"y"）比感测元件12的宽度（表示为"X"）长。在一些实例中， 诸如在图中描述的那些，离散感测元件12的剖面形状是基本矩形的。在不影响离散感测元 件12的线圈区域的前提下，这允许柔性传感器装置1的厚度是相对小的（这样使得装置可 通过小的间隙穿至固定导体上）。在其他实例中，离散感测元件12可具有相等（equal)的 剖面长宽比。
[0041] 离散感测元件12分布在柔性细长载体14上，这样使得离散感测元件的零灵敏度 的平面基本垂直于载体的设置有该感测元件的部分的纵向轴线。在图1A至图1D的实例中 并且在图2至图11的实例中，细长柔性载体14穿过离散感测元件12的中央区域。在离散 感测元件12包括导线线圈的实例中，导线可被说成是绕着细长柔性载体14缠绕。这可通 过预形成导线的线圈并且然后随后将细长柔性载体穿过线圈的中央区域12A而实现，或者 可替换地，通过将线圈直接缠绕到细长柔性载体14上而实现。
[0042] 离散感测元件12彼此串联地电连接。离散感测元件12通过电连接元件18电连 接至彼此。在细长载体14穿过离散感测元件12的实例中或者在离散感测元件12单独地 缠绕到载体14上的实例中，离散感测元件12可在被穿过或者缠绕到载体14上之后电连接 至彼此。在其他实例中，诸如当多个离散感测元件12从单个长度的导电材料缠绕到载体上 时，离散感测元件12不需要随后电连接至彼此。
[0043] 电连接元件18布置成使得这些电连接元件不会显著地影响传感器装置1的灵敏 度。换句话说，在每个电流感测元件12包括导电材料的多个线匝的实施方式中，连接元件 18不对感应元件12增加额外的"回路面积"。这可通过将电连接元件18设置成使得这些 电连接元件基本平行于细长载体12的纵向轴线而实现。这样，虽然多个离散感测元件12 可由单个长度的导线形成，但感测元件12可以被说成是离散的，这是因为仅感测元件12对 装置的灵敏度有影响，而非连接元件18对装置的灵敏度有影响。相反，在诸如US3, 434, 052 的传感器装置中，螺线管的整个长度促进装置的灵敏度。
[0044] 电连接元件18基本不影响装置1对外部磁场的灵敏度，这是因为每个连接元件18 对这种场的灵敏度被位于闭合回路的相对侧上的连接元件的灵敏度抵消。
[0045] 细长柔性载体14是稳定的，并且优选地沿着细长柔性载体的长度具有高模量。这 避免了传感器在安装或者操作期间被拉伸，或者随着时间改变该传感器的长度。此外，细长 柔性载体14沿着细长柔性载体的长度具有低的热系数。理想地，细长柔性载体14的热系 数是线性温度系数离散感测元件12的热系数的两倍。
[0046] 细长柔性载体14构造成使得该细长柔性载体具有优选的弯曲轴线。换句话说，与 在非优选的轴线中弯曲该细长载体14相比，在该优选的轴线中弯曲该细长载体14需要的 力可更小。在一些实施例中，细长柔性构件能够在仅仅一个轴线上弯曲。在图1A的实例中， 优选的弯曲轴线平行于页面。在图1B中，优选的弯曲轴线垂直于页面。优选地，细长载体 14能够扭转仅有限的量。
[0047] 在图1A至图1E的实例中，细长柔性载体14包括柔性材料的基本扁平的带 (strip，条）。这样，载体14的长度和宽度显著地大于载体的厚度。用于扁平柔性载体18 (诸 如图1A至图1E的载体）的适合的材料包括薄PCB材料（例如，薄FR4或者聚酰胺）、非磁 性金属弹簧带（例如，全硬铍铜带）。在一些实例中，载体14可以由多个材料层构成。例 如，载体14可以包括两个橡胶层，在该两个橡胶层之间具有纤维增强材料。纤维增强材料 可包括例如玻璃、聚酰胺、碳或者HDPE(高密度聚乙烯）。理想地，虽然纤维可置于两个方向 上，但纤维最佳地沿着载体的长度对准。在其他实例中，载体14可以包括两个橡胶层，其中 在橡胶层之间设置有一层薄的非磁性金属带（或者网）。
[0048] 如上文提及的，柔性传感器装置1可构造成闭合回路。这可在图1C中看出。该回 路可随着需要而打开和闭合，以允许柔性传感器装置1绕着固定导体安装以及从固定导体 移除。这通过在细长柔性载体14的各自的端部处设置连接机构的第一回路连接器元件10A 和第二回路连接器元件10B而实现。该第一回路连接器元件10A和第二回路连接器元件10B 构造成可拆地彼此连接或者接合。第一回路连接器元件10A和第二回路连接器元件10B具 有对应的形状，这样使得它们彼此配合到一起。更具体地，第一个回路连接器元件10B包括 至少一个突起部10B-1，并且第二个回路连接器元件10A包括对应数量的孔10A-1，该至少 一个突起部10B-1被接收在对应数量的孔中。优选地，连接机构包括至少两个突起部10B-1 和至少两个对应的孔10A-1。这限制了第一回路连接器元件10A和第二回路连接器元件10B 能够相对于彼此旋转的量。在图1A至图1E的实例中，回路连接机构10A、10B包括两个突 起部10B-1和两个对应的孔10A-1。突起部10B-1以及对应的孔10A-1的尺寸使得回路连 接器元件10A与10B之间的摩擦将这些元件保持在它们的连接状态中直到这些元件被强制 分离。在一些实例中，回路连接器元件10A、10B可包括额外的锁定机构（未示出），以保证 回路连接器元件10A、10B不会彼此脱离，直到需要彼此脱离。
[0049] 图1D是当回路连接元件10A、10B彼此连接时穿过连接机构10A、10B的示意性剖 面图。第一回路连接器元件10A和第二回路连接器元件10B构造成使得，当它们连接时，位 于载体14的每个端部处的感测元件12B、12C之间的距离基本（并且优选地精确地）与载 体14上的每个感测元件12与该感测元件直接相邻的感测元件之间的距离相同。此外，回 路连接机构10A、10B构造成使得，当连接以形成回路时回路中的所有离散感测元件12被设 置在单个平面中。在图1C中示出的实例中，这些特征通过将载体14的端部以及设置在载 体上的感测元件12B、12C接收在形成在回路连接器元件10A、10B中的孔10A-2U0B-2内而 实现。接收在孔10A-2、10B-2中的感测元件12B、12C邻接感测元件各自的孔10A-2、10B-2 的端壁。端壁的厚度是邻近的感测元件12B与12C之间的间距的一半。回路连接器元件 10AU0B构造成使得，当它们连接时孔10A-2U0B-2的端壁彼此邻接。
[0050] 柔性电流传感器装置1包括输出线缆16,该输出线缆包括第一信号承载导线16Α 和第二信号承载导线16Β。在图1Α至图1Ε的实例中，输出线缆从一个回路连接器元件10Α 伸出。第一信号承载导线16Α直接地电连接至第一个离散感测元件12Β。第二信号承载导 线16Β直接地电连接至最后一个离散感测元件12Β。这里，"第一个"和"最后一个"指的是 电位置而不是在串联连接的感测元件18的串中的物理位置。换句话说，在该串中的第一个 和最后一个感测元件12B、12C是直接与仅一个其他的感测元件12电连接的感测元件。在图 1Α至图1D的实例中，第一个和最后一个感测元件12B、12C是被接收在回路连接元件10Α、 10Β中的感测元件。如在图1D中示意性示出的，回程（return,返回）电连接元件18Α直接 地将感测元件12的串中的最后一个感测元件12C与输出线缆16电连接。
[0051] 虽然，在图1A至图1E的实例中，细长柔性载体14包括柔性材料的扁平带，但是将 认识到的是，该材料的扁平带可被在下文中参考图4至图11描述的细长柔性载体中的任一 个所替代。
[0052] 图2A至图2D是根据本发明的实例的可替换的电流传感器装置2的各个方面的示 意图。图2A至图2D的传感器装置2的许多性质与参考图1A至图1E描述的传感器装置2 的性质基本相同。这样，将不再参考图2A至图2D描述所有这些性质。相反，下文中的说明 将主要集中在两个传感器装置之间的区别上。图2A和图2B示出了柔性电流传感器装置2 的侧视图和平面图。图2C和图2D是装置2的离散传感器元件22的相对面的平面图。
[0053] 在图2A至图2D的实例中，离散感测元件22包括导电轨道22A，该导电轨道由存放 在平面PCB22B上的导电材料的多个线匝形成。与参考图1A至图1E描述的装置1 一样，图 2的感测元件22沿着载体14等距地间隔开。载体1基本如参考图1A至图1D所描述的一 样。
[0054] 在图2A至图2D的实例中，导电轨道22A设置在PCB22B的两侧上。在PCB22B的 任一侧上的导电轨道22A通过过孔22C连接。在PCB22B的任一侧上的导电轨道22A的线 匝相反地缠绕。这样，通过改变垂直于轨道22A的平面的磁场而在PCB22B的任一侧上的轨 道22A中产生的信号正（positively)相加。
[0055] 如在图1A至图1E的实例中，细长柔性载体14穿过离散感测元件22的中央区域 22D。在这个实例中，中央区域22D是以槽的形式。而且，导电材料的线匝的长宽比是不均 匀的。PCB22B在载体的优选弯曲或者折曲的方向上的尺寸小于在垂直方向上的尺寸。这允 许传感器通过更小的间隙插入。此外，这使得对回路形状变化的回路内部以及外部的灵敏 度的影响最小。
[0056] PCB包括两个突出部22B-U22B-2,用于串联地电连接离散感测元件22的电连接 元件28可附接至该两个突出部。在这个实例中，突出部22B-U22B-2从PCB22B的一个端 部边缘向外突出。感测元件22的导电材料的相对端部与不同的突出部直接电连接。在这 个实例中，突出部22B-U22B-2形成凹口，从而允许电连接元件28更容易地物理地连接至 该突出部22B-U22B-2。
[0057] 如在图2C和图2D中可见，突出部22B-U22B-2被间隔开。这允许回程连接元件 28A穿过突出部22B-1与22B-2之间的区域，该回程连接元件将串中的最后一个感测元件 22 (在这个实例中，在图2A的右手侧端部处）直接电连接至输出线缆16。这样，回程连接 元件导线28A不会与串联地连接离散感测元件22的电连接元件28形成干涉。
[0058] 虽然在图2A至图2D中未示出，但这个实例的装置2还包括连接机构，该连接机构 与图1至图1D的连接机构类似地构造，以通过串中的其他感测元件22的间隔距离而使装 置中的第一个感测元件和最后一个感测元件隔开。
[0059] 在一个具体的实例中，柔性传感器装置2的各个部分的性质可为如下：
[0060] -导电轨道22A的外部尺寸=9. 5mm X 24mm ;
[0061] -导电轨道22A的宽度=0· 15mm ;
[0062] -PCB22B的每侧上具有10匝导电轨道；
[0063] -中央区域/内槽尺寸=1. 6謹X 14mm ;
[0064] -沿着细长柔性载体间隔开的53个离散感测元件22具有4. 4mm的间距；
[0065]-细长柔性载体材料=纤维增强的橡胶层压件；
[0066] -细长柔性载体的尺寸=1. 6mmX 14mmX 233mm ;
[0067] 以这个方式构造的柔性传感器装置1实现了在50hz下0. 25mV/Amp的灵敏度。
[0068] 图3示出了与图2A至图2D的传感器装置类似的传感器装置3。主要区别是离散 传感器元件不同地连接。更具体地，每个感测元件均未直接地电连接至邻近的元件，而是连 接到隔一个的感测元件32A、32B。图3的离散感测元件32A、3B仍然可认为是单个串联连接 的串。但是，在这个实例中，该串被有效地折叠成两半。这种装置3的一个优点在于不需要 从细长载体14的一个端部至另一端部的回程导线。另一优点在于来自线缆的电容性耦合 大致相等地耦合至靠近正和负输出的感测元件，从而减小了对于传感器周围的静电屏蔽的 需要。
[0069] 图4A至图4F示出了可形成传感器装置的部分的细长柔性载体4的各个方面，该 传感器装置与参考图1A至图1E描述的传感器装置类似。图4A、图4B以及图4C分别是细 长柔性载体4的平面图、侧视图以及立体图。图4D和图4E是穿过载体4的剖面图。图4F 是载体4的铰接部的放大的平面图。在图4A至图4F上未示出离散传感器元件和电连接元 件。但是，这些离散传感器元件和电连接元件可基本如参考图1A至图1E所描述的。
[0070] 细长柔性载体4包括多个离散感测元件承载部42。在这个实例中，多个离散感测 元件承载部42的每个均包括线轴42,导线（图4中未示出）可绕着该线轴缠绕以形成离散 感测元件。用于形成感测元件的导线是绝缘的。承载部42包括位于承载部任一端处的凸 缘46。这些凸缘保证导线被保持在承载部42上。承载部42沿着载体4的长度均匀地间隔 开。每个离散感测元件承载部42均具有不均匀的长宽比（如在图4D中可见，该图是穿过 图4A和图4B上标记为A'的虚线的剖面）。因此，当导线缠绕到承载部42上时，形成的离 散感测元件也具有不均匀的长宽比。
[0071] 在一个具体的实例中，承载部42构造成使得离散感测元件为2mm宽并且具有两个 绕组层。当使用〇. 1_的漆包铜线时，这使得每个离散感测元件为40匝。
[0072] 多个离散感测元件承载部42中的每个均通过铰接部44耦接至至少一个其他承载 部42。铰接部永久地耦接至承载部。这样，在这个实例中，邻近的承载部42在不断开载体 4的情况下不能彼此分离。铰接部彼此对准。铰接部42构造成使得允许承载部相对于彼此 旋转，从而允许细长柔性载体弯曲。铰接部44包括第一铰接件44A和第二铰接件44B。第 一铰接部44A和第二铰接部44B在细长载体4的纵向轴线是相对地设置。这使得细长柔性 载体4在仅一个轴线上是柔性的。承载部42与铰接部44相比是刚性的。这样，细长柔性 载体4在铰接部44处弯曲并且在承载部42处不弯曲。虽然图4A至图4F的实例包括两个 铰接部44A和44B，但在一些实例中，承载部可以通过单个铰接部连接。
[0073] 每个承载部42均包括位于承载部的每侧上的两对突出部48A、48B。在承载部的每 侧上的突出部朝向邻近的承载部42延伸。这些对突出部48A、48B彼此设置在载体4的纵 向轴线的相对侧上。这些对突出部48A、48B彼此设置在铰接部44A、44B的相对侧上。突出 部44A、44B构造成限制邻近的载体4能够绕铰接部44旋转的量。这是因为，一旦旋转角度 达到特定的角度，位于邻近的承载部42上的特定的一对突出部48A、48B进入物理接触，从 而限制进一步的旋转。
[0074] 在图4A至图4C的实例中，与第二对突出部44A相比，第一对突出部44B从承载部 42的侧面朝向邻近的承载部42延伸得更远。这样，邻近承载部42上的第一对突出部44B 之间的间距小于第二对突出部44A之间的间距。这可在图4F中清楚地看到。因此，载体4 能够在弯曲轴线的一个方向上弯曲得比在另一个方向上更远。这减小了传感器装置被不恰 当地安装的可能性。在优选的弯曲方向上限制可能的旋转角度意味着可使在离散感测元件 的中心到中心的间距上的变化最小。在一个具体的实施例中，在优选的弯曲方向上的弯曲 角度可以被限制到20°并且在相反的方向上可以被限制到5°。
[0075] 如在图4F中可见，每个铰接件44A、44B均包括通过较薄部分44A-2附接在任一端 部处的较厚部分44A-1。铰接件44A、44B通过铰接件的较薄部分44A-2在任一端部处连接 至承载部42。这意味着铰接件在位于铰接件的中间的与承载部的连接处更具柔性。因此， 每个铰接件的有效枢转点朝向承载部42移动，并且因此还朝向设置在承载部上的离散感 测元件的中央移动。这减小了随着承载部42绕承载部的铰接件旋转，在感测元件的中央之 间的距离上的变化。这改善了传感器装置的性能。
[0076] 而且，如在图4F中可见，每个铰接件44A、44B均从承载部的中央在细长柔性载体 的优选弯曲方向上移动。换句话说，铰接件44A、44B从纵向轴线朝向第二对突出部44A (与 第一对突出部44B相比，第二对突出部从承载部延伸得更少）移动。这用来将每个离散感 测元件的中心到中心的间距保持接近平均的恒定值。这从图5中可见。
[0077] 图5是邻近的承载部42的旋转角度（在X轴上）相对于（versus)承载部的中心 到中心的间距的图表，并且因此也是相对于承载在承载部上的离散感测元件的中心到中心 的间距的图表。平直的曲线（具有菱形的点）示出了理想情况，在该理想情况中，中心到中 心的间距不随着旋转角度而变化。陡峭的曲线（具有方形的点）示出了当铰接件与载体的 纵向轴线对准时中心到中心的间距的变化。最后的曲线（具有三角形的点）示出了如图4F 中所示的具有偏移的铰接件的中心到中心的间距的变化。因此可见的是，与中央（或者中 性（neutral))铰接件相比，偏移的铰接件使得中心到中心的间距在更宽的角度范围上更 接近理想值。
[0078] 现在回到图4A至图4F，每个承载部42均包括从承载部伸出的桩（peg，钉）或者 引导部49。在这个具体实例中，引导部49从每个凸缘46伸出。这样，每个承载部42均包 括一对引导部49。因为这些引导部从一个离散感测元件穿至其他离散感测元件，所以这些 引导部用作用于电连接元件（未示出）的引导部。每个凸缘上的引导部49在基本平行于 载体4的纵向轴线的方向上彼此相对地设置。这样，电连接元件基本平行于载体4的纵向 轴线，并且因此还垂直于每个离散传感器元件的零灵敏度的平面。
[0079] 每个承载部42均包括形成于承载部中的孔43。孔43组合以形成延伸载体4的长 度的连续纵向开孔。这样，细长柔性载体4可穿过心轴以便在导线缠绕到承载部上以形成 离散感测元件之前使该载体挺直。
[0080] 图4的细长载体可由可模制的塑料材料构成，诸如但不限于聚酰胺和聚缩醛。。
[0081] 图6A至图6E示出了与如参考图1描述的连接机构10A、10B结合使用的图4A至 图4F的细长柔性载体4的各个视图。更具体地，图6A至图6C分别是连接机构10的立体 图、平面图以及侧视图。图6D和图6E分别是沿着表示为A''和B''的线的剖面图。
[0082] 从图6D和图6E中可见的是，连接机构10A、10B构造成使得将在细长柔性载体4 的任一端部处的承载部42A、42B保持在一间距处，该间距与该细长柔性载体4的邻近承载 部之间的间距大体上相同。
[0083] 图7A至图7D示出了参考图4A至图4F讨论的细长柔性载体4的变型。更具体地， 图7A至图7C分别显示了细长柔性载体7的立体图、平面图以及侧视图。图7D是穿过一个 承载部72(例如，沿着标记为A'''的虚线）的剖面图。
[0084] 与图4的载体4一样，细长柔性载体包括多个离散传感器元件承载部72,该多个离 散传感器元件承载部的每个均通过铰接部74连接至至少一个邻近的承载部72。还与图4 的载体一样，每个铰接部74均包括第一铰接件74A和第二铰接件74B。第一铰接件74A和 第二铰接件78B在细长载体7的纵向轴线上相对地设置。铰接件74A、74B包括通过较薄部 分74A-2附接在每个端部处的较厚部分74A-1。铰接件74A、7B通过较薄铰接部74A-2连接 到承载部72。这样，铰接件的枢转点在铰接件74A、74B的任一端部处。
[0085] 在这个实例中，铰接部74的枢转点位于承载部72的厚度内。优选地，枢转点是尽 可能接近承载部72的厚度的中心的位置。这使邻近承载部的中心到中心的间距随着邻近 承载部72的相对旋转的改变而产生的变化最小（并且因此也使承载在邻近承载部上的离 散感测元件的中心到中心的间距随着邻近承载部的相对旋转的改变而产生的变化最小）。 在图7A至图7D的实例中，铰接部74可与细长载体7的纵向轴线对准（即，可不偏移）。
[0086] 与图4A至图4F的载体4 一样，图7A至图7D的载体7的承载部72包括线轴，导 线可缠绕到该线轴上以形成离散感测元件。承载部72还包括用于限制承载部72上的导线 匝的凸缘73。此外，每个承载部72均包括位于承载部的中间区域中的孔75。这允许细长 构件穿到心轴上。这有利于导线缠绕到承载部72上以形成离散传感器元件。
[0087] 虽然在图7A至图7D中未示出，但将认识到的是，图7的变型可构造成包括参考图 4A至图4F的载体4描述的许多其他的特征。例如，载体可以包括用于使载体具有优选弯曲 方向的突出部48A、48B。此外或者可替换地，细长柔性载体7可包括从柔性载体延伸的引导 部，该引导部用于将连接元件从一个离散感测元件引导至下一个离散感测元件。
[0088] 图8A至图8H示出了用于诸如参考图1描述的电流传感器装置的可替换的细长柔 性载体8的各个方面。图8A是细长柔性载体8的立体图。图8B示出了细长柔性载体8的 平面图和侧视图。该细长柔性载体8包括多个可拆的（或者可分离的）离散感测元件承载 部82。图8C至图8H示出了单独一个可拆的离散感测元件承载部82的各个视图。
[0089] 每个可拆的承载部82均包括线轴部件83。线轴部件83构造成接收多匝导电材 料（诸如铜导线），从而形成离散感测元件（在图7A至图7G中未示出）。线轴部件83包 括在任一端部处的凸缘83-1。凸缘83-1有利于离散感测元件在线轴部件83上的保持。每 个凸缘83-1均包括至少一个凹口 87,该至少一个凹口用于将电连接元件（未示出）从一个 离散感测元件（未示出）引导至另一个离散感测元件。
[0090] 线轴部件83的剖面具有不均匀的长宽比（如在图8H中可见）。线轴部件83包括 孔86。这样，当多个承载部82彼此耦接以形成细长柔性构件8时，而形成了连续的纵向开 孔。细长载体8因此可穿到心轴上以有利于线圈缠绕到线轴部件83上。如在图8A和图8B 中可见，当多个承载元件82以对准形式耦接在一起时，线轴部件83被均匀地间隔开（并因 此承载于线轴部件上的感测元件也被均匀地间隔开）。
[0091] 可拆的承载部82包括从线轴部件83的第一端延伸的一对凸出式（male)铰接部 件84。可拆的承载部82还包括从线轴部件83的第二端延伸的一对凹入式（female)铰接 部件85。每个凸出式铰接部件84均包括铰接销，并且每个凹入式铰接部件85均包括用于 接收邻近的可拆承载部的铰接销的对应的孔。一对中的两个凸出式铰接部件84在孔86的 长度上相对地设置。类似地，两个凹入式铰接部件85在孔86的长度上相对地设置。一对 凸出式铰接部件84中的每个均相对地设置至在线轴部件83的厚度（或者深度）上的一对 凹入式铰接部件85中的不同的一个。
[0092] 一对凸出式铰接部件84中的每个均构造成与邻近的承载部82的一对凹入式铰接 部件85中的一个可拆地耦接，从而形成承载部82的链。邻近的承载部82可以通过促使 (urge) -对凸出式铰接部件84中的每个远离与其耦接的相应的凹入式铰接部件85而分 离。在图8A至图8H中示出的具体实例中，承载部82构造成使得邻近的承载部82可通过促 使一对凸出式铰接部件84朝向彼此而分离。凸出式铰接部件84和凹入式铰接部件85构 造成使得，当耦接在一起时，仅在一个轴线上允许一个承载部82相对于另一承载部旋转。
[0093] 凸缘83-1中的至少一个凹口 87与凸出式铰接部件84和凹入式铰接部件85的延 伸的方向对准。在图7A至图7G的实例中，凸缘包括两个相对布置的凹口 87。这使每个离 散承载部能够用在两个定向中的任一个上。这有利于通过多个分离的承载元件82形成细 长柔性载体8。
[0094] 图9A至图9E示出了与参考图1描述的连接机构10A、10B结合使用的图8A至图 8H的细长柔性载体8的各个视图。更具体地，图9A至图9C分别是连接机构10A、10B的立 体图、平面图以及侧视图。图9D和图9E分别是沿着表示为D和E的线的剖面图。
[0095] 从图9D和图9E中可见的是，连接机构10A、10B构造成使得将在细长柔性载体8 的任一端部处的线轴部件83A、83B保持在一间隔处，该间隔与细长柔性载体8的邻近线轴 部件83之间的间隔基本相同。
[0096] 图9A至图9E还示出了在承载元件上就位的离散感测元件12。未示出离散感测元 件12之间的电连接元件。
[0097] 在图8A至图8H的细长载体中，离散感测元件的中心到中心的间距以与图6的最 陡的曲线类似的方式随着弯曲角度而变化。图10A和图10B示出了参考图8描述的可拆的 感测元件承载部82的变型体。变型承载部102与参考图8描述的承载部基本相同，但却构 造成保持感测元件的恒定的中心到中心的间距。在图10A和图10B的实例中，这通过以下 方式而实现，即，设置具有细长孔105-1而非圆形孔的一对凹入式铰接部件105以及设置具 有凸轮面104-1的凸出式铰接部件104。这样，当一个承载部102的凸出式铰接部件104相 对于邻近的承载部102的凹入式铰接部件105旋转时，凸轮面104-1使得凸出式铰接部件 104在凹入式铰接部件105的细长孔105-1中滑动，从而保持离散感测元件的中心到中心 的间距。这可以从图10A和图10B的比较中看出。在图10A和图10B的实例中，凹入式铰 接部件105也包括凸轮面105-2。但是，在可替换的实例中，单个凸轮面可设置在凸出式铰 接部件104和凹入式铰接部件105中的仅一个上。虽然仅标记了凸出式凸轮，但图像示出 了在凸出式半部和凹入式半部两者上凸轮特征。（MP)。虽然在图中未示出，但将认识到的 是，这个实例可包括拉伸构件（或者偏压装置），以用于促使邻近的承载部朝向彼此。在一 些实例中，拉伸构件可设置在孔内部。在其他实例中，可通过设置在装置的外部上的绝缘护 套（sheath)来提供拉伸。
[0098] 图11A至图111示出了参考图8A至图8H描述的细长柔性构件8的另一个变型。 图11A是细长柔性载体11的立体图。图11B是细长柔性载体8处于笔直构造时的视图。图 11C是细长柔性载体处于笔直构造时的侧视图。图11D是细长柔性载体11处于弯曲构造时 的平面图。细长柔性载体11包括多个可拆的（或者可分离的）离散感测元件承载部112。 图11E至图111示出了单独一个可拆的离散感测元件承载部112的各种视图。
[0099] 图11A至图111的离散感测元件承载部112与图8A至图8H的离散感测元件承载 部基本相同。两种类型的承载部之间的主要区别在于在图11A至图111的承载部112中， 凹入式铰接部件115未从线轴部分113延伸。相反，凹入式铰接部件115包括在线轴部分 113中形成的孔115。邻近承载部的凸出式铰接部件114延伸进线轴部分的内部区域113-1 中，并且形成在凸出式铰接部件114上的突出部114-1与凹入式铰接部件115的孔115耦 接。这样，两个邻近承载部112的旋转轴线近似位于离散感测元件的中央处。这使得随着 承载部相对于彼此旋转而保持离散感测元件的中心到中心的间距均匀。
[0100] 如从图11H和图111中可见的，线轴部件113的内部区域113-1包括成形的凹部， 该凹部构造成允许邻近承载部112的凸出式铰接部件114在该凹部中旋转。
[0101] 图12A和图12B示出了参考图4A至图4F描述的细长柔性载体的变型的各个方面。 图4A至图4F的载体4与图12A和图12B的载体13之间的主要区别在于承载部件132的 剖面具有均匀的长宽比。在这个具体实例中，剖面是圆形的。图4A至图4F的载体4的许 多其他特征也可存在于图12和图12B的载体13中。这些特征包括：铰接部134(该铰接部 可偏移或者可不偏移）；凸缘136,该凸缘设置在承载部件132 (承载部件可以被称为线轴部 件）的相对端部处；引导部（或者桩）138,该引导部用于将连接元件从一个离散感测元件 引导至下一个离散感测元件；以及孔139,该孔穿过承载部件的厚度形成。虽然在图12A和 图12B中未示出，但将认识到的是，细长载体13还可设置有突出部，该突出部用于提供载体 13的不对称柔度。
[0102] 图13A和图13B示出了参考图8A至图8H描述的细长柔性载体的变型的各个方面。 图8A至图8H的载体8与图13A和图13B的载体15之间的主要区别在于每个可拆的（或 者可分离的）离散感测元件承载部的线轴部件均具有均匀长宽比的剖面。在这个实例中， 剖面是圆形的。载体15的其他的特征可与参考图8A至图8H描述的相同。
[0103] 虽然在图中未示出，但将被认识到的是，图7、图10以及图11的任一载体的线轴部 件均可具有均匀长宽比的剖面。类似地，本文描述的任一其他附图的感测元件均可构造有 具有均匀长宽比的剖面。
[0104] 图14A至图14D示出了图1A至图1E的柔性电流传感器装置的变型的各个方面。 图14A至图14D的传感器装置基本如参考图1所描述的传感器装置。但是，在图14A至图 14D的装置中，细长柔性载体包括细长柔性PCB。离散感测元件机械地电连接至柔性PCB14。 该PCB14用于串联地电连接离散感测元件。这可以避免对单独的载体14以及连接元件的 需要。在图14A至图14D中，离散感测元件12是缠绕的导线线圈。但是，它们可替代为例 如印刷到平面电路板上的导电轨道（诸如在图2A至图2D的实例中）。
[0105] 图15A至图1?示出了用于承载离散感测元件的可替换的细长柔性载体19的各 个方面。细长柔性载体19包括用于承载感测元件（在图15A至图1?中未示出）的多个离 散载体192。每个离散载体192均包括线轴部件，离散感测元件可绕该线轴部件缠绕。在这 个实例中，载体192包括设置在载体的任一端部处的用于将感测元件保持在离散载体192 上的凸缘。离散载体192沿着细长柔性载体14分布。在这个实例中，细长柔性载体14包 括柔性PCB。每个离散载体均包括从离散载体192延伸的多个（在这个实例中为两个）导 电突出部196。突出部196机械地电连接至细长柔性PCB14。形成每个离散感测元件的线 圈的端部绕导电突出部中的不同的导电突出部缠绕，从而使离散感测元件与柔性PCB电连 接并且还彼此串联地连接。每个离散载体均具有穿过离散载体形成的孔198。这允许离散 载体192穿到心轴上，从而有利于离散感测元件缠绕到离散载体192上。
[0106] 在图15A至图1?的实例中，离散载体的线轴部件具有均匀长宽比的剖面（特别 地为圆形的）。但是，这些线轴部件可替代地构造有不均匀的长宽比。
[0107] 图16A至图16G示出了用于承载离散感测元件的另一个细长柔性载体19的各个 方面。如16和图16B分别示出了处于弯曲构造和笔直构造的载体的立体图。图16C和图 16D分别示出了处于弯曲构造和笔直构造的载体20的平面图。图16E和图16F分别示出 了穿过处于弯曲构造和笔直构造的载体20的剖面图。图16G示出了沿着例如图16D中由 G表示的虚线穿过载体20的剖面。
[0108] 载体20包括多个承载部202。在这个具体实例中，承载部是用于承载导线线圈的 线轴的形式，该导线线圈形成离散感测元件。承载部202具有均匀长宽比的剖面。但是，将 认识到的是，承载部202可替代地具有不均匀的剖面长宽比。
[0109] 载体20还包括多个连接部204,该多个连接部将承载部204连接至彼此。连接部 204接收在承载部202中形成的孔中。连接部204在承载部204中形成的孔内与邻近的连 接部耦接。连接部204具有齿轮端面。齿轮端面是弯曲的。连接部204的齿轮端面与邻近 连接部204的齿轮端面啮合到一起，从而允许连接部204相对于彼此旋转。
[0110] 连接部通过从连接部204的端部的相对侧延伸的铰接部件206耦接至承载部202。 铰接部件206可旋转地接收在形成在承载部202内部的孔中。齿轮端面的细长齿在与铰接 部件206相同的方向上延伸。
[0111] 以这种方式构造的载体20控制设置在承载部202上的离散感测元件的角度，这样 使得对传感器元件的均匀场来说零灵敏度的平面通常朝向由载体20形成的回路的中央定 向。这提供了高准确度的传感器装置。
[0112] 虽然没有在任一图中示出，但柔性传感器装置可设置于绝缘护套内。绝缘护套可 为塑料或者橡胶材料。绝缘护套可包括静电屏蔽层。静电屏蔽层可以包括，例如，半导体层 或者金属层，诸如铜编织层。可替换地或者此外，输出线缆16可为同轴的，这样使得输出线 缆包括金属屏蔽层。输出线缆的屏蔽层可电连接至离散感测元件12,该离散感测元件位于 感测元件12的串的电中间部。
[0113] 在上文的实例中，连接机构10A、10B构造成使得绕回路的所有离散感测元件12的 间距是均匀的。但是，在一些实例中，可能不是这样的情况，并且串中的最后的感测元件之 间的间距可能大于其他感测元件12之间的间距。在这种实例中，可增加位于串的任一端处 的感测元件的匝数或者面积以补偿增加的间距。在这种实例中，每个最后的感测元件与相 邻的元件之间的间距可增加最后的感测元件的间距与串中的其他元件的间距之间的差的 一半。可替换地，在串的每端处的最后两个感测元件可朝向彼此运动，而保持感测元件之间 的中间（halfway)点。
[0114] 应该认识到的是，前述的实施例不应该被解释为限制性的。基于阅读本申请，其他 的变化和修改对本领域技术人员而言将是显而易见的。此外，本申请的公开应该被理解为 包括本文明确地或者隐含地公开的任何新颖特征或者任何新颖特征的组合，并且在本申请 或者从其衍生的任何申请的审查的期间，新的权利要求可明确地表达为覆盖任何这种特征 和/或这种特征的组合。作为这种组合的一个实例，在一些实施例中，图2和图3的PCB感 测元件可用于参考图4至图11描述的细长柔性载体类型。
【权利要求】
1. 一种柔性电流传感器装置，所述柔性电流传感器装置包括多个离散电流感测元件， 所述多个离散电流感测元件沿着细长柔性载体分布。
2. 根据权利要求1所述的柔性电流传感器装置，其中，每个感测元件的剖面具有不均 匀的长宽比。
3. 根据权利要求1或者权利要求2所述的柔性电流传感器装置，其中，所述细长柔性载 体构造成使得所述细长柔性载体具有优选的弯曲轴线。
4. 根据权利要求3所述的柔性电流传感器装置，其中，所述细长柔性载体构造成使得 所述细长柔性载体具有单一弯曲轴线。
5. 根据权利要求3所述的柔性电流传感器装置，其中，所述细长柔性载体在所述优选 的弯曲轴线中的柔度是不对称的。
6. 根据任一前述权利要求所述的柔性电流传感器装置，所述柔性电流传感器装置能构 造成能打开的回路。
7. 根据权利要求6所述的柔性电流传感器装置，其中，当所述装置构造成回路时，所述 柔性载体的相对端部位于与所述载体的剩余部分相同的平面中。
8. 根据任一前述权利要求所述的柔性电流传感器装置，其中，所述离散感测元件沿着 所述细长柔性载体基本等距地间隔开
9. 根据任一前述权利要求所述的柔性电流传感器装置，包括： 第一连接器元件，所述第一连接器元件位于所述细长柔性载体的第一端部处； 第二连接器元件，所述第二连接器元件位于所述细长柔性载体的第二端部处，所述第 一连接器元件和所述第二连接器元件构造成彼此能释放地接合，以使所述传感器装置形成 闭合回路，其中，所述离散感测元件绕所述闭合回路等距地间隔开。
10. 根据任一前述权利要求所述的柔性电流传感器装置，所述细长柔性载体穿过每个 所述电流感测元件的中央区域。
11. 根据任一前述权利要求所述的柔性电流传感器装置，每个电流感测元件均具有对 于均匀磁场来说零灵敏度的平面，所述柔性电流传感器装置构造成使得每个感测元件的所 述零灵敏度的平面基本局部地垂直于所述载体的承载有所述感测元件的一部分的纵向轴 线。
12. 根据任一前述权利要求所述的柔性电流传感器装置，其中，所述细长柔性载体包括 多个连接的载体部，所述载体部中的每个均构造成接收至少一个电流感测元件。
13. 根据权利要求12所述的柔性电流传感器装置，其中，所述载体部中的每个均包括 线轴部件，所述线轴部件用于接收所述离散感测元件中的一个。
14. 根据权利要求13所述的柔性电流传感器装置，其中，所述离散感测元件包括绕所 述线轴部件缠绕的多个铜导线匝。
15. 根据权利要求12或者权利要求14中任一项所述的柔性电流传感器装置，其中，所 述多个连接的载体部通过铰接部连接至彼此。
16. 根据权利要求15所述的柔性电流传感器装置，其中，所述多个连接的载体部通过 所述铰接部能拆卸地连接至彼此。
17. 根据权利要求15或者权利要求16所述的柔性电流传感器装置，其中，所述铰接部 构造成使得在所述传感器元件绕所述铰接部旋转时邻近的传感器元件的中心的间距上的 变化最小。
18. 根据权利要求15至17中任一项所述的柔性电流传感器装置，其中，所述铰接部朝 向所述细长柔性载体的优选的弯曲方向偏移。
19. 根据权利要求1至11中任一项所述的柔性电流传感器装置，其中，所述离散电流感 测元件包括居中地安装在所述细长柔性载体上的电路板线圈。
20. -种用于电流传感器装置的细长柔性构件，所述细长柔性构件包括多个承载部，所 述多个承载部通过铰接部连接至彼此，每个承载部均构造成用于接收离散电流感测元件。
21. -种制造柔性电流传感器装置的方法，所述方法包括： 提供细长柔性载体；以及 沿着所述细长柔性载体分布多个离散感测元件。
【文档编号】G01R15/18GK104145186SQ201280064157
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】安德鲁·尼古拉斯·达姆, 马修·普里塞, 罗伯特·戴维森 申请人:森泰克有限公司